Carvão ativado derivado da cana-de-açúcar e modificado com zeólita natural para adsorção eficiente do corante azul de metileno: abordagens experimental e teórica

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 18031 (2022) Citar este artigo

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A introdução de carvão ativado/zeólita natural (AC/NZ) como um nanoadsorvente eficiente e confiável para aumentar a adsorção do corante azul de metileno (MB). Ao calcinar o resíduo da cana-de-açúcar em várias temperaturas entre 500 e 900 °C, são formados carvões ativados (CAs). Ambos XRD e SEM foram usados ​​para a caracterização dos adsorventes preparados. Medições de adsorção para a remoção do corante MB foram feitas no impacto do pH, concentração inicial de MB e tempo de contato. Verificou-se que a capacidade máxima de adsorção de AC500/NZ para corante MB a 25°C, pH 7 e uma massa de AC500/NZ de 50 mg era de aproximadamente 51 mg/g a uma concentração inicial de 30 ppm. O modelo de cinética de pseudo-segunda ordem e o modelo de isoterma de Temkin descrevem o processo de adsorção. O modelo de Temkin mostra que a energia de adsorção é de 1,0 kcal/mol, indicando que o processo de adsorção MB-to-AC500/NZ ocorre fisicamente. Nossos estudos de simulação de Monte Carlo (MC) apoiaram nossas descobertas e mostraram que a força de dispersão de Van der Waals foi responsável pela adsorção física da molécula MB. O adsorvente AC500/NZ é considerado um forte concorrente para a remediação de água.

Devido à rápida industrialização, enormes quantidades de resíduos nocivos são despejadas no lago a cada ano. A contaminação da água é considerada uma grande ameaça para os seres humanos e outras formas de vida. Os corantes orgânicos são liberados das indústrias têxtil, gráfica, alimentícia e de couro na água1. Esses corantes podem causar problemas de saúde perigosos, como câncer, dermatite e alergia2,3. Como os corantes não são naturalmente biodegradáveis, é crucial removê-los das águas residuais. Um dos corantes comuns, o azul de metileno (MB), é amplamente utilizado em aplicações cruciais nas indústrias alimentícia, têxtil, cosmética e farmacêutica. A presença de MB na água aumenta a demanda de oxigênio que por sua vez afeta os animais aquáticos. Muitas técnicas têm sido envolvidas na remoção de corantes, como adsorção, fotólise, degradação de foto-Fenton e fotocatálise também2,4,5,6,7,8,9. Infelizmente, a maioria dessas técnicas tem desvantagens significativas, como alto custo operacional, longo tempo, baixa eficiência, produção de lodo e formação de poluentes secundários. Entre essas técnicas, o processo de adsorção é superior às outras técnicas devido à sua alta eficiência de remoção, facilidade de projeto, produção mínima de resíduos e baixo consumo de energia10,11. Além disso, pode ser aplicado no tratamento de corantes em soluções altamente concentradas. Desenvolver catalisadores heterogêneos econômicos e ecologicamente corretos é o principal desafio para aplicações comerciais em larga escala12.

O carvão ativado (AC) é um material de carbono como o grafite com uma estrutura de arranjo irregular e imperfeito de carbono microcristalino. O carvão ativado tem uma estrutura porosa que aumenta a área superficial e diminui a densidade. O AC é um dos melhores adsorventes para remover vestígios de contaminantes do ar, solo e água devido à sua forte adsorção física13. Isso resulta das vantagens do AC, como propriedades porosas, alta estabilidade química/térmica, área de superfície única, grupos funcionais de superfície e natureza físico-química do AC14. Os carvões ativados são preparados por meio de métodos de ativação física ou química. A ativação física tem sido relatada como mais benéfica devido à sua maior área de superfície, maiores rendimentos e estrutura porosa altamente desenvolvida15. Os carvões ativados podem ser produzidos a partir de diferentes resíduos agrícolas, como cana-de-açúcar, turfa, linhito, madeira e casca de coco. O bagaço de cana-de-açúcar (BAC) é representado como excelente biomassa para síntese de CA devido à sua disponibilidade e baixo custo. O bagaço da cana-de-açúcar é produzido a partir das indústrias de bioetanol, açúcar, polietileno e etanol16. A composição do SCB é cerca de lignina (20-25%), hemiceluloses (25-30%) e celulose (40-50%). A disposição de grandes quantidades de resíduos do bagaço da cana-de-açúcar tornou-se uma grande poluição ambiental e, consequentemente, um risco à saúde naquela região. Como resultado, a conversão de SCB em AC reduz os resíduos agrícolas enquanto produz um adsorvente útil a um preço razoável17.